无人机载离水光谱辐射测量技术用于近岸海域防晒霜紫外滤光剂检测

《Drones》：UAV-Based Above-Water Spectroradiometry for Detecting Sunscreen UV Filters in Coastal Waters

　　

防晒霜衍生的紫外（UV）滤光剂是近岸生态系统中日益受到关注的新兴污染物。研究人员开发、优化并在野外验证了Mar_Spectra——一种搭载于无人机（UAV）的紧凑型光谱辐射测量系统，专门用于检测表层水中的防晒霜UV滤光剂。该系统将Ocean Optics微型光谱仪与树莓派微处理器、GPS接收器、高度计及RGB相机集成，实现同步影像采集。光谱数据经处理，利用Zenith Lite参考板推导离水遥感反射率（Rrs），覆盖UV波段（300–380 nm），并定义了光谱指数iS，其与有机UV滤光剂总浓度呈强线性关系（R2 = 0.964）。受控校准实验确认了系统在300–380 nm范围内的灵敏度。环境测试表明，风、浊度与藻类会降低检测能力，而稳定日照可改善光谱一致性。尽管对环境变率敏感，Mar_Spectra在真实野外条件下表现出一致且可重复的性能，为UV滤光剂的近实时监测提供了经济、可扩展的方案，并增强了空间分辨的近岸污染监视能力。

研究背景与立项依据

近岸带是大气、水圈与岩石圈的动态边界，承载全球约60%人口，旅游旺季大量使用含紫外（UV）滤光剂的个人护理品使防晒霜有机滤光剂（如奥克立林、阿伏苯宗、水杨酸乙基己酯）与无机滤光剂（TiO₂、ZnO）进入海水。这类化合物具持久性、生物累积性与水生毒性，但传统液相色谱（LC）或气相色谱（GC）方法成本高、耗时长、时空分辨率低。研究人员指出，亟需快速、空间分辨、近实时的原位检测手段，而无人机（UAV）平台搭配便携式光谱传感器可弥补上述缺陷，从而在旅游密集海岸带实现污染羽流制图。

论文发表于《Drones》，核心贡献是提出并验证名为Mar_Spectra的UAV挂载微型光谱辐射系统，证明其可在300–380 nm波段通过离水遥感反射率（R_rs）与自建光谱指数i_S半定量反演防晒霜UV滤光剂浓度，并明确环境干扰边界与最优作业参数。

主要关键技术方法

研究人员采用“受控实验—灵敏度测试—飞行参数优化—野外验证”四级递进方案。硬件上以Ocean Optics ST-UV-25光谱仪（185–650 nm，0.3 nm采样，2.2 nm分辨率）结合树莓派3 CM4、Emlid Reach M2 GPS、高度计、DJI Matrice 300 RTK飞行平台及Speeddip缆放系统构成Mar_Spectra；利用Zenith Lite漫反射板获取下行辐照度，按暗信号校正与线性插值推R_rs，定义i_S=max(R_rs)_300–380nm/min(R_rs)_400–460nm。校准阶段用14种市售防晒霜配制复合母液，以搅拌棒吸附分散微萃取（SBSDME）—LC在325 nm定量OC、EHS、BEMT、BMDM作金标准；光学干扰测试引入微藻Tetraselmis chui（CCMM 03/0201）与San Pedro河口水体（NTU 5–236）；飞行优化在巴塞罗那Barceloneta海滩浮台与后续Cádiz的La Caleta、Camposoto海滩航测完成，样本队列来自城市海滩与自然公园海滩两类对比场景。

研究结果

3.1 清水灵敏度与分析验证：复合防晒液浓度升高使R_rs在320–380 nm系统上升；i_S与LC总和浓度线性回归R²=0.9643，RMSE=0.046 i_S单位，LOD=1.37 μg·mL^?1，LOQ=4.15 μg·mL^?1，OC占52.4%为主贡献。证明UV波段光学响应可化学交叉验证。

3.2 复杂光学水体灵敏度：Tetraselmis chui达1.5×10⁵ cells·mL^?1时防晒信号衰减92%；浊度236 NTU相较5.6 NTU使i_S降约33%。浮游植物吸收与悬浮物后向散射共同掩盖UV吸收异常，界定了系统实用检测限。

3.3 仪器与方法优化：镜头—水面距10–20 cm时i_S=1.832±0.095，90–100 cm降至1.215±0.065（幂律衰减），推荐30–40 cm；UAV高度2–6 m受旋翼下洗致UV反射虚高、变异系数18–25%，8–12 m时SD降约50%，选定10 m为优；扫描次数20次配合20%高通滤波剔除覆盖不足像元，使R²由0.80升至0.92。

3.4 案例时空动态：巴塞罗那2025年6月19日低风日i_S与下海游泳者数Pearson r=0.507，20日风速峰值13 m·s^?1时r降至0.388、组内SD翻倍，证实风驱混合是首要水文控制；Cádiz的La Caleta（封闭都市滩）i_S高于Camposoto（开阔自然滩），两处均呈近岸—离岸稀释梯度，沿轨迹采样间距中位数0.14–0.20 m。

讨论部分总结

研究人员在讨论中强调，i_S以波段比形式削弱水体背景变异、提升跨水体可比性；有机配方在300–380 nm强吸收，无机-only配方i_S均值低85%，纹理与分散度引入12.3% CV。环境端，云盖与低太阳角削弱UV特征，暗信号温度漂移达10–20%需用配对暗帧校正；浮游植物最高掩盖80%、浊度33%信号，故Mar_Spectra应定位为半定量筛查而非绝对反演。飞行几何上，8–12 m避旋翼扰动、30–40 cm镜头距兼顾对比度与防溅，20次扫描加覆盖滤波为优协议。田野数据印证旅游强度—光谱响应耦合及水动力再分配效应，系统可对高旅游海岸做近实时、空间显式污染制图。

结论部分翻译

本研究论证了利用Mar_Spectra系统通过R_rs测量检测海水中防晒霜残留的可行性，该紧凑高分光谱辐射平台集成于UAV，在最优高度与天底（nadir）指向及标准协议下可对表层UV吸收化合物稳健监测。光谱分析显示防晒化合物在300–390 nm具特异吸收带，i_S与SBSDME-LC定量浓度强线性（R²=0.964）支撑分析可靠与可重复。云、风粗化及含微藻的光学活性组分（OACs）会衰减甚至掩盖信号，故实用灵敏度受OACs干扰制约。辅助环境参数与优化协议是区分污染羽流与背景的关键。Mar_Spectra的便携、精密与适应性强，适于高旅游区近岸生态防护。未来应集成UV带通滤片与灰漫反射板、拓展至更广光学复杂水体、解耦叶绿素与CDOM吸收、并与卫星海洋水色产品衔接以实现区域尺度升级。